摘 要：介紹了個人衛(wèi)生護理機器人控制部分的設計與實現(xiàn)，該系統(tǒng)采用單片機作為微控制器，利用串口擴展芯片，實現(xiàn)了對洗頭、洗澡、生命體征檢測、上位機通信以及語音提示等功能模塊的控制，完成了全自動洗澡的功能。實驗證明，該系統(tǒng)具有較高的研究開發(fā)和實用價值。

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關鍵詞：個人衛(wèi)生護理機器人； MCU； 模塊設計； 溫度檢測

中圖分類號：

TN911.7-34； TP249

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)05

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Design and implementation of control part of personal health care robot

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ZHU Sa-shuang1， LI Guo-xia1， FU Gui-yue1， ZHANG Xun2

(1.Physical Engineering College， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China； 2.Luoyang Sunray Company， Luoyang 471000， China)

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Abstract：

The design and implementation of personal health care robot control section are introduced. The system used single-chip microcomputer as the microcontroller， adopted serial expansion of the chip to achieve the right shampoo， bath， vital signs detection， PC communications， voice prompts and other functional modules′ control， and completed automatic bath function. Experiments show that the system has high research development and use value.

Keywords： personal health care robot; MCU; module design; temperature detection

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收稿日期：2011-12-13

基金項目:國家863計劃資助項目(2008AA040208)；國家自然科學基金(51172212)資助項目

0 引 言

如今，我國已進入了老齡化社會，60歲以上人口已經(jīng)超過了1.49億，占全國人口的11%；而65歲以上人口占總人口的6.96%。同時，中國殘疾人數(shù)量也在不斷上升。無論在養(yǎng)老院或是殘疾人家庭，個人衛(wèi)生護理都是難題。為此設計了一種能為特殊群體提供洗頭、洗澡、干身、按摩等服務的個人衛(wèi)生護理機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于醫(yī)院、養(yǎng)老院和家庭，為病人、老人及殘疾人完成個人衛(wèi)生的護理工作，具有較高的研究開發(fā)和實用價值。

1 控制部分總體設計

本系統(tǒng)主要由機械本體、主控模塊、顯示模塊、語音模塊、生命體征檢測模塊、網(wǎng)絡模塊、洗頭模塊、驅動電路、氣泵、風泵、水位及溫度傳感器等多個部分組成［1］。機械部分主要完成輪椅與浴缸的對接，實現(xiàn)用戶坐在輪椅上便可直接入浴的功能，打破了以往依靠人工的局限性。單片機通過控制浴缸內機械臂的升降，實現(xiàn)入浴出浴及高低位置的適當調整，保證用戶有一個舒適的洗澡姿勢；通過控制風泵及水泵，實現(xiàn)淋浴、泡泡浴、沖洗、烘干等一系列功能；通過水位及溫度傳感器，檢測浴缸內水位及溫度的高低；語音模塊實現(xiàn)提示及報警功能，為用戶提供可靠的服務。

2 控制部分硬件設計

控制系統(tǒng)的硬件組成\\[2-3\\]如圖1所示。

2.1 主控單元

主控芯片采用STC89C52單片機\\[4\\]實現(xiàn)智能控制，該芯片內部資源豐富，I/O口數(shù)量多，增加了P4口，每個I/O有四種工作方式，驅動能力強，內含8 KB FLASH，支持在線編程，內含的獨立波特率發(fā)生器，支持1T方式，運算速度快，價格低廉。由于系統(tǒng)比較復雜，需要控制的模塊較多，所以在輸出部分用串并轉換來擴展輸出，擴展芯片用兩片74HC595實現(xiàn)。電路如圖2所示。

2.2 溫度檢測模塊

水溫檢測是一個很重要的環(huán)節(jié)，如果出現(xiàn)水溫過高或者過低的現(xiàn)象，就很有可能對人身造成傷害，所以要求誤差要小，精度盡可能高，占用I/O口盡量少。基于這些要求，采用DS-18B20數(shù)字溫度傳感器\\[5\\]。該產品由美國DALLAS公司生產，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣等特點，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。

2.3 語音提示模塊

語音提示部分是個人衛(wèi)生護理機器人控制系統(tǒng)的重要部分，對各種工作狀態(tài)進行提示，從啟動到各個洗浴模式都有相對應的語音提示，出現(xiàn)緊急情況有語音報警，最大限度避免了異常情況造成的危害\\[6\\]。系統(tǒng)選用以DMA5601為核心的語音模塊，該模塊可以進行64段每段最長達100 s的語音播放，其優(yōu)點是串口控制，節(jié)約I/O占用，并且波特率可調，可以很好的與其他部件相連接。64段語音，每段長達100 s的語音播放可以很好地滿足要求。

2.4 生命體征檢測模塊

生命體征檢測模塊主要用于實時監(jiān)測洗浴過程中人體的生命體征信號，并與上位機進行通信，可以對心動過緩/過速，血氧及血壓的異常情況進行報警，方便護理人員對洗浴過程中的異常情況及時處理［7］。該模塊的原理框圖如圖3所示。

2.5 人機交互模塊(HMI)

該模塊選用北京迪文科技有限公司的DMT48270T043，迪文DMI內置了TFT驅動、大容量FLASH存儲字庫和界面圖片，使得用戶MCU只要有串口(或者1個空余的I/O口)即可，電路設計簡單，編程方便。

2.6 洗頭模塊

洗頭模塊的控制部分由AT89C2051單片機來完成，其電路［8］如圖4所示。

2.7 驅動模塊

通過控制電機的正反轉來實現(xiàn)入浴、出浴、洗頭等功能［9］，其驅動電路如圖5所示。

2.8 網(wǎng)絡模塊

個人衛(wèi)生護理機器人在工作時可以通過以太網(wǎng)向上位機傳送數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是護理機的工作狀態(tài)和洗澡者的生命體征數(shù)據(jù)及報警信號。此模塊采用了一款獨立的UART，TCP/IP協(xié)議模塊來完成數(shù)據(jù)的轉換和雙向傳輸。通過對生命體征監(jiān)測部分的數(shù)據(jù)交流以得到使用者的心率、血氧飽和度和脈搏信息。經(jīng)過處理，將這些信息和其他的機器狀態(tài)報警信號上傳至上位機。該模塊與主控芯片以串口的方式通信，節(jié)約了I/O口。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計\\[10\\]，由主程序、初始化子程序、溫度檢測程序、中斷子程序、延時子程序等組成，通過主程序分別調用各子模塊完成相應的功能。其軟件系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。

4 結 語

本文介紹了基于STC89C52的個人衛(wèi)生護理機器

人的設計與實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)能夠完成自動洗浴的功能，為行動不便的人提供了洗頭、洗澡、干身、按摩等服務，較大幅度地減少了為這些人服務的勞動強度。該系統(tǒng)可廣泛應用于醫(yī)院、養(yǎng)老院和需要該類服務的家庭。

參 考 文 獻

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(上接第130頁)

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作者簡介：

李雪寶 男，1986年出生，江蘇淮安人，研究實習員。主要從事電路設計、傳感器開發(fā)等方向的研究。

鄭艷芳 女，1986年出生，河南周口人，博士研究生。主要從事微位移檢測與驅動、邊緣傳感器的研究。

許 光 男，1985年出生，山東聊城人，碩士研究生。主要從事嵌入式以太網(wǎng)、單片機應用等方向的研究。